有機(jī)化學(xué)-電子教材:第二章烷烴

來源：瀘州醫(yī)學(xué)院精品課程網(wǎng)

有機(jī)化學(xué):電子教材第二章烷烴:第二章烷烴（Alkane)烴是指只含有碳和氫兩種元素的化合物。烷烴指具有通式為CnH2n+2的碳?xì)浠衔�，是大家公認(rèn)的沒有官能團(tuán)的化合物。烷烴是一類飽和烴 (Saturated hydrocarbon )，分子中除碳碳鍵外，其它鍵被氫飽和。即碳原子結(jié)合氫原子的數(shù)目已達(dá)到飽和程度。一烷烴的同系列和異構(gòu) (Homologous series andisomerism of alkanes)1 同

第二章 烷烴（Alkane)

烴是指只含有碳和氫兩種元素的化合物。

烷烴指具有通式為C_nH_2n+2的碳?xì)浠衔�，是大家公認(rèn)的沒有官能團(tuán)的化合物。

烷烴是一類飽和烴 (Saturated hydrocarbon )，分子中除碳碳鍵外，其它鍵被氫飽和。即碳原子結(jié)合氫原子的數(shù)目已達(dá)到飽和程度。

一 烷烴的同系列和異構(gòu) (Homologous series andisomerism of alkanes)

1 同系列

C_nH_2n+2 n為碳原子個(gè)數(shù)

n 分子式構(gòu)造式命名

1 CH₄ CH₄甲烷

2 2 C₂H₆CH₃CH₃乙烷

3 3 C₃H₈CH₃CH₂CH₃ 丙烷

4 C₄H₁₀2 正丁烷、異丁烷

5 C₅H₁₂3 正戊烷、異戊烷、新戊烷

6 5

可見隨52667788.cn/zhicheng/碳原子數(shù)增加，異構(gòu)體數(shù)目迅速增加。但實(shí)際存在并沒有這么多，n和異構(gòu)體數(shù)目的關(guān)系，到目前還沒有找到一個(gè)關(guān)系式。

系差： CH₂（從上述看出，相鄰成員之間差一個(gè)CH₂)

同系列：凡具有一個(gè)通式，結(jié)構(gòu)相似，化學(xué)性質(zhì)相似，物理性質(zhì)隨著碳原子數(shù)增加而有規(guī)律性的變化的化合物系列。

同系物：同系列中的各個(gè)化合物彼此互稱同系物。

構(gòu)造 (Constitution ) ：指分子中原子互相連接的方式和次序。

構(gòu)造異構(gòu)體 (Constitutional isomerism)：分子式相同，分子中原子互相連接的方式和次序不同的異構(gòu)體。

構(gòu)型——分子中個(gè)原子或基團(tuán)在空間的不同排列，這種排列的相互轉(zhuǎn)化必須通過鍵的斷裂和生成。

構(gòu)型異構(gòu)體——

構(gòu)象——由于單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，使分子中原子或基團(tuán)在空間產(chǎn)生不同的排列。

2 碳原子和氫原子的類型

叔碳（3°)：與一個(gè)氫原子相連的碳。

仲碳（2°)：與兩個(gè)氫原子相連的碳。

伯碳（1°)：與三個(gè)氫原子相連的碳。

季碳：與四個(gè)碳原子相連的碳。

伯氫：與伯碳相連的氫原子。

仲氫：與仲碳相連的氫原子。

叔氫：與叔碳相連的氫原子。

二 烷烴的命名 (Nomenclature of alkanes)

1. 普通命名（習(xí)慣命名法)

以烷作為母體，十個(gè)碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十個(gè)碳原子以上用數(shù)字表示。

例：正己烷

異己烷

新戊烷新己烷

下列結(jié)構(gòu)用普通命名無法命名：

2 系統(tǒng)命名法（IUPAC)

IUPAC：Internationalunion of pure and applied chemistry

CCS：Chinesechemical society

1).

1). 直鏈烷烴

以烷作為母體，十個(gè)碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十個(gè)碳原子以上用數(shù)字表示。

2). 支鏈烷烴

① 烷基的命名

烷基：烷烴分子中取掉一個(gè)氫剩下的部分。

甲基 Me（Methyl)

乙基 Et（Ethyl)

正丙基 n-Pr（Propyl)

異丙基 i-Pr （isopropyl)

正丁基 n-Bu （Butyl)

異丁基 i-Bu （isobutyl)

仲丁基 s-Bu （sec-butyl )

叔丁基 t-Bu （tert-butyl )

異戊基（isopentyl)

仲戊基（sec-pentyl)

叔戊基（tert-pentyl )

新戊基（Neopentyl)

②. 支鏈烷烴的命名

規(guī)則：a. 選主鏈：選最長的、取代基最多的碳鏈作主鏈。

b. 編號(hào)：從離取代基最近的一端編號(hào)，并滿足最低系列原則。

c. 若主鏈上有幾種取代基時(shí)，應(yīng)按“次序規(guī)則”，較優(yōu)基團(tuán)后列出（見第三章)。

例：

2,2,4 -三甲基戊烷

2,5-二甲基-4-異丙基庚烷

2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷

2,6,6-三甲基 - 3 -乙基辛烷

2-甲基-4-仲丁基-4-叔丁基辛烷

2,7,8-三甲基癸烷

三 烷烴的構(gòu)象 (Conformation of alkanes)

概述：

a. 構(gòu)象：指分子中原子或原子團(tuán)由于圍繞單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中原子在空間的不同排列。

b. 構(gòu)象異構(gòu)體：分子組成相同，構(gòu)造式相同，因構(gòu)象不同而產(chǎn)生的異構(gòu)體。

c. 構(gòu)象異構(gòu)體表示方法：透視式（傘形式，鋸架式)，紐曼投影式。

以乙烷的重疊式構(gòu)象說明：

d. 注意：構(gòu)象異構(gòu)體的互相轉(zhuǎn)換不需發(fā)生共價(jià)鍵的斷裂。分子的構(gòu)象異構(gòu)體有無數(shù)個(gè)，無法畫出，采用抓兩頭，選中間（選內(nèi)能最高及最低構(gòu)象)，中間選幾個(gè)典型。

1 乙烷構(gòu)象

扭轉(zhuǎn)角：ABCD為有機(jī)化合物中排列成鏈的四個(gè)原子，ABC所在平面與BCD所在平面之間的夾角稱為扭轉(zhuǎn)角。

①.φ=0° ②.φ=60° ③.φ=120° ④.φ=180°

⑤.φ=240° ⑥.φ=300° ⑦.φ=360°執(zhí)業(yè)醫(yī)師

從乙烷構(gòu)象可看出：

①. 扭轉(zhuǎn)角φ由0°逐漸變到360 °可得到無數(shù)個(gè)構(gòu)象，它們之間差別在于原子在空間的排列不同。

②. 扭轉(zhuǎn)角φ= 0°120 °240 °360°為重疊式

φ=60°180 °300 °為交叉式

重疊式、交叉式構(gòu)象為乙烷的兩個(gè)典型構(gòu)象，其它構(gòu)象處于這兩個(gè)構(gòu)象之間。

③. 重疊式中兩個(gè)碳原子上的C—H鍵相距最近，能量較高，不穩(wěn)定。交叉式中兩個(gè)碳原子上的C—H鍵相距最遠(yuǎn)，能量較低，穩(wěn)定。

④. 能量曲線圖

⑤. 乙烷有無數(shù)個(gè)構(gòu)象，乙烷最穩(wěn)定的構(gòu)象是交叉式。

乙烷由一個(gè)交叉式變成另一個(gè)交叉式構(gòu)象，只需克服12 kJ/mol能量即可。而分子相互碰撞時(shí)可產(chǎn)生83 kJ/mol能量，所以乙烷分子可繞C-C鍵自由旋轉(zhuǎn)。因此，平時(shí)我們講的乙烷是許許多多乙烷構(gòu)象的平衡混合物，但交叉式比例較大。當(dāng)T=0時(shí)，乙烷構(gòu)象只有一種：交叉式，所以講自由旋轉(zhuǎn)是有條件的。

2 丁烷構(gòu)象

①.φ=0° ②.φ=60° ③.φ=120°

④.φ=180°

⑤.φ=240° ⑥.φ=300° ⑦.φ=360°

從丁烷構(gòu)象可看出：

①. 扭轉(zhuǎn)角φ由0°逐漸變到360°可得到無數(shù)個(gè)構(gòu)象，其中有四種典型構(gòu)象。

②. 扭轉(zhuǎn)角φ=180°為反交叉式。C2上CH₃與C3上CH₃離的最遠(yuǎn)，斥力最小，能量最低，最穩(wěn)定。

φ=60°300°為順交叉式。 C2上CH3與C3上CH3離的相對(duì)較近，斥力相對(duì)較大，穩(wěn)定性不如④。

φ=0°為全重疊式。 C2上CH3與C3上CH3離的最近，斥力最大，能量最高，最不穩(wěn)定。

φ=120°240°為部分重疊式。C2上CH3與C3上CH3離的較近，斥力也較大，較不穩(wěn)定。

③. 能量曲線圖

⑤. 丁烷有無數(shù)個(gè)構(gòu)象，最穩(wěn)定的構(gòu)象是反交叉式。

在室溫下，丁烷主要以反交叉式和順交叉式構(gòu)象存在，前者約占63%，后者約占37%，其它構(gòu)象所占的份額很小。

注意：ClCH₂CH₂OH主要以鄰位交叉式存在，因?yàn)猷徫唤徊媸侥苄纬煞肿觾?nèi)氫鍵。

3 高級(jí)烷烴的構(gòu)象

鋸齒狀排列，其中C-H，C-C都處于交叉式，碳鏈看起來向鋸齒。

最穩(wěn)定的構(gòu)象：整個(gè)碳鏈?zhǔn)卿忼X狀的。

四 烷烴的物理性質(zhì) (Physical properties of alkanes)

存在狀態(tài)：

室溫下，1~4個(gè)C的烷烴為氣體，5~16個(gè)C的烷烴為液體，大于16個(gè)C的烷烴為固體。

熔沸點(diǎn)：

隨分子量的增大而升高。

原因：⑴分子大，接觸面積大，范德華力大；

⑵分子大，分子運(yùn)動(dòng)所需能量大（增加一個(gè)C，bp升高20~30℃)。

同分異構(gòu)體中，支鏈多的沸點(diǎn)低。同分異構(gòu)體中，分子越對(duì)稱，熔點(diǎn)越高。

原因：支鏈多，接觸面積小，分子間作用力小。但是支鏈的影響遠(yuǎn)小于碳數(shù)增加的影響。

比重：

隨分子量的增加而升高。

極性：

非極性或弱極性，不溶于水及強(qiáng)極性溶劑中，可溶于氯仿、乙醚、四氯化碳等溶劑中（相似相溶)。

五 烷烴的反應(yīng) (The reactions of alkanes)

概述：

根據(jù)烷烴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子中碳原子都是sp³雜化，分子中只有共價(jià)單鍵σ鍵，σ鍵較穩(wěn)定。因此，在常溫常壓下烷烴不與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)還原劑發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)速度很慢。

但隨著石油工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)烷烴的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)溫度、壓力、催化劑等作用下，烷烴可起反應(yīng)，生成許多工業(yè)產(chǎn)品，現(xiàn)在烷烴已成為有機(jī)化學(xué)工業(yè)重要的原料之一。

1．鹵化反應(yīng) ( Halogenation reactions)

鹵化反應(yīng)：烷烴分子中的氫原子被鹵素取代的反應(yīng)。

烷烴和鹵素（Cl₂、Br₂)在暗處不發(fā)生反應(yīng)，但在光照時(shí)反應(yīng)猛烈甚至引起爆炸。

例：甲烷與氯在高溫或光照下反應(yīng)：

注意：得到混合物，控制條件，可使某一種產(chǎn)物占主要。

合成上無價(jià)值，重要性在于機(jī)理的研究。

1). 氯化反應(yīng)的機(jī)理 ( Mechanism of halogenationreactions)

反應(yīng)機(jī)理：反應(yīng)經(jīng)歷的過程。是綜合實(shí)驗(yàn)事實(shí)作出的理論假設(shè)。公認(rèn)的機(jī)理，能夠解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

鏈引發(fā)：

鏈增長：

鏈終止：

① 具有鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止的反應(yīng)在化學(xué)上叫自由基反應(yīng)(Freeradical reaction)（自由基鏈反應(yīng)，連鎖反應(yīng))。